胡俊鴿,周文濤,董剛(鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧鞍山114009)
綜 述
日本COURSE 50技術(shù)研究現(xiàn)狀
胡俊鴿,周文濤,董剛
(鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧鞍山114009)
介紹了日本COURSE 50技術(shù),包括高爐氫氣冶煉及其支持技術(shù)以及從高爐煤氣捕集、分離和回收CO2的技術(shù)(CCS)。闡述了高爐氫氣冶煉及其支持技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀,主要包括高爐氫氣冶煉技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果、瑞典小高爐工業(yè)試驗(yàn)及結(jié)果以及焦?fàn)t煤氣改質(zhì)技術(shù)和Hypercoal技術(shù)的研究現(xiàn)狀,高爐煤氣分離回收CO2的技術(shù)及其支持技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀以及COURSE 50于2013~2017年的研究課題。指出其中一些支持技術(shù)對(duì)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和促進(jìn)鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展具有很大戰(zhàn)略意義。
COURSE 50;CO2減排;高爐;焦?fàn)t煤氣噴吹;氫氣冶煉
COURSE 50是日本的一個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目,以“創(chuàng)新的煉鐵工藝”為主要研究?jī)?nèi)容。該項(xiàng)目同時(shí)兼顧環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,其最終目的是使CO2減排達(dá)30%。
該項(xiàng)目由日本鋼鐵聯(lián)盟發(fā)起、由NEDO資助,新日鐵住金、神戶制鋼、JFE鋼鐵和日新鋼鐵等合作研究。COURSE 50研發(fā)分2個(gè)階段,第一階段為2008~2012年,第二階段為2013~2017年。至2030年,使所開發(fā)的技術(shù)達(dá)到工業(yè)化推廣應(yīng)用水平。
COURSE 50項(xiàng)目主要包括:減少CO2排放的高爐煉鐵技術(shù)和從高爐煤氣捕集、分離與回收CO2的技術(shù)(CCS)。
減少CO2排放的煉鐵技術(shù)主要指氫氣還原技術(shù),即以改質(zhì)(使焦?fàn)t煤氣中氫含量增加)后的富氫焦?fàn)t煤氣還原鐵礦石的高爐煉鐵技術(shù);其支持技術(shù)包括與氫還原相配套的新型焦炭技術(shù)及改質(zhì)焦?fàn)t煤氣技術(shù)。
從高爐煤氣捕集、分離與回收CO2的技術(shù)主要包括CO2高效吸收劑的開發(fā)、中試設(shè)備實(shí)用性評(píng)估、鋼鐵廠未利用的余熱回收技術(shù)開發(fā)。
2.1高爐氫氣冶煉技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀
日本的高爐氫氣冶煉技術(shù)即是使用改質(zhì)后的富氫焦?fàn)t煤氣的高爐冶煉技術(shù)。使用氫氣代替焦炭和煤粉作還原劑不僅可以提高還原效率,而且還具有較好的減排CO2效果。因?yàn)闅錃庾鬟€原劑時(shí)只產(chǎn)生H2O,不像CO作還原劑時(shí)產(chǎn)生CO2。目前已完成了實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)性研究及小高爐工業(yè)試驗(yàn)研究。
2.1.1實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果
至2012年,氫氣還原冶煉的基礎(chǔ)研究工作已完成,取得以下研究成果:
(1)研究發(fā)現(xiàn),向高爐噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣的情況下,可以大幅度提高鐵礦石還原率。
(2)建立了高爐爐身噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣的氣固兩相流冷態(tài)模型,對(duì)爐內(nèi)煤氣流量、流速對(duì)氣流分布的影響進(jìn)行了研究。
(3)使用高爐內(nèi)反應(yīng)模擬裝置(BIS)的研究表明,改質(zhì)焦?fàn)t煤氣的噴吹量可達(dá)到200 m3/t,在爐身噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣有降低高爐碳耗的可能性。
2.1.2瑞典小高爐工業(yè)試驗(yàn)及結(jié)果
(1)試驗(yàn)?zāi)康募叭鸬銵KAB試驗(yàn)高爐簡(jiǎn)介
2013年上半年在瑞典LKAB試驗(yàn)高爐上完成了工業(yè)試驗(yàn)。工業(yè)試驗(yàn)的主要目的是研究和評(píng)價(jià)使用普通焦?fàn)t煤氣或改質(zhì)焦?fàn)t煤氣置換焦炭和降低還原劑比的潛力,以及噴吹熱態(tài)爐頂煤氣對(duì)高爐上部溫度和燒結(jié)礦粉化的影響。
LKAB試驗(yàn)高爐的工作容積為9.0 m3,爐喉和爐缸直徑分別為1.0 m和1.5 m,3個(gè)鐵口,無(wú)料鐘爐頂;另外,除了爐缸風(fēng)口外,還設(shè)有爐身上部風(fēng)口和爐身下部風(fēng)口。熱風(fēng)可加熱到1 200℃,可噴吹煤粉、石油和各種氣體。
(2)工業(yè)試驗(yàn)簡(jiǎn)介
富氫改質(zhì)焦?fàn)t煤氣通過爐身下部3個(gè)風(fēng)口噴吹進(jìn)高爐。普通焦?fàn)t煤氣通過爐缸風(fēng)口噴進(jìn)高爐,以充分利用CH4的燃燒。爐缸風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣時(shí),使用同軸噴槍,煤粉走內(nèi)管,以N2作載氣,焦?fàn)t煤氣走外管。
普通焦?fàn)t煤氣成分為 57%H2,31.3% CH4,11.7%N2,富氫改質(zhì)焦?fàn)t煤氣成分有2種:1種為77.9%H2、22.1%N2和77.9%H2,另1種為10% CO、12.1%N2、當(dāng)含有CO時(shí),添加H2S以減少碳沉積,添加量最多為0.01%。
在噴吹焦?fàn)t煤氣時(shí),必須提高富氧量,以補(bǔ)償碳?xì)浠衔锓纸馑枰臒崃?,從而保持理論燃燒溫度不變。這樣導(dǎo)致上部溫度降低,延長(zhǎng)了燒結(jié)礦滯留時(shí)間,易使燒結(jié)礦發(fā)生粉化。另外,氫氣也易使燒結(jié)礦粉化。為了防止燒結(jié)礦在低溫下粉化,把部分熱態(tài)爐頂煤氣從爐身上部3個(gè)風(fēng)口噴進(jìn)高爐以便于控制溫度。
表1表示噴吹氣體條件匯總[1]。從爐缸風(fēng)口、爐身上部風(fēng)口和爐身下部風(fēng)口各選3個(gè)風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣(COG)、改質(zhì)焦?fàn)t煤氣(RCOG)和熱態(tài)爐頂煤氣,各排所選風(fēng)口的方向相同。
表1 噴吹氣體條件匯總
2013年4月26日開始試驗(yàn),于5月11日結(jié)束。目標(biāo)噴煤率為128 kg/t,試驗(yàn)期間產(chǎn)量基本不變。第一階段為啟動(dòng)試驗(yàn),時(shí)間為7天,鐵料為球團(tuán);之后進(jìn)入基準(zhǔn)期,時(shí)間為5天,使用70%燒結(jié)礦和30%球團(tuán)礦,并混裝小焦。
操作穩(wěn)定后,于4月28日開始從爐缸風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣,噴吹量為100 m3/t;同時(shí)調(diào)整富氧量,保持理論燃燒溫度不變;降低噴煤量。噴焦?fàn)t煤氣后從爐頂收集的爐塵中觀察到有碳存在。
5月6號(hào)開始噴吹預(yù)熱到770℃的改質(zhì)焦?fàn)t煤氣,開始噴吹時(shí)改質(zhì)焦?fàn)t煤氣化學(xué)成分為77.9%H2、22.1%N2,起初噴吹量為150 m3/t,之后把噴吹量調(diào)整為200 m3/t,最后在噴吹量為200m3/t的情況下,把煤氣成分調(diào)整為77.9%H2、10%CO、12.1%N2。
在噴焦?fàn)t煤氣和改質(zhì)焦?fàn)t煤氣期間,從爐身上部風(fēng)口噴吹熱態(tài)爐頂煤氣,溫度為800℃,噴吹量為100 m3/t。
(3)試驗(yàn)期間試驗(yàn)高爐操作數(shù)據(jù)及結(jié)果
表2表示基準(zhǔn)期、噴吹COG期和噴吹RCOG期的操作數(shù)據(jù)。
表2 基準(zhǔn)期、噴吹COG和噴吹RCOG期間的操作數(shù)據(jù)
由表2可見,在噴吹焦?fàn)t煤氣和噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣時(shí),焦比和還原劑比均降低;CO氣體利用率降低;而氫氣利用率在噴焦?fàn)t煤氣時(shí)升高,在噴改質(zhì)焦?fàn)t煤氣時(shí)下降。
另外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱態(tài)爐頂煤氣從爐身上部風(fēng)口噴吹24 h后,高爐爐頂煤氣溫度開始升高。
(4)噴吹氣體徑向滲透深度及燒結(jié)礦粉化情況
從爐身下部風(fēng)口噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣的徑向滲透深度意味著改質(zhì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)入爐子中心的深度,提高改質(zhì)焦?fàn)t煤氣的徑向滲透深度能夠提高煤氣利用率。但探針測(cè)量的結(jié)果表明,噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣時(shí),改質(zhì)焦?fàn)t煤氣只在風(fēng)口處快速還原鐵礦,卻不進(jìn)入料層。各種情況下燒結(jié)礦粒度的變化情況見圖1。
由圖1可知,各種試驗(yàn)條件下的燒結(jié)礦粒度變化與基準(zhǔn)期的情況基本相同。
2.2支持技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀
2.2.1焦?fàn)t煤氣改質(zhì)技術(shù)
日本的焦?fàn)t煤氣含氫氣量通常達(dá)50%以上,為了提高焦?fàn)t煤氣中的氫氣含量,開發(fā)了改質(zhì)焦?fàn)t煤氣的技術(shù),即使用催化劑使焦?fàn)t煤氣中的氫氣含量超過60%。然后再噴進(jìn)高爐中。
研究了通過對(duì)800℃高溫焦?fàn)t煤氣中的煤焦油進(jìn)行改質(zhì)來(lái)提高焦?fàn)t煤氣中氫氣含量的效果。在新日鐵八幡廠內(nèi)建成了規(guī)模約10 m3/h的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對(duì)催化劑及其改質(zhì)效果進(jìn)行了研究。高溫焦?fàn)t煤氣含有不易分離的焦油成分,而且含有較高濃度的硫化氫,所以新研制的催化劑必須具有既耐硫化氫又耐析碳的特性。重點(diǎn)研究了Ni-MgO系催化劑,發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室不同條件下,焦油分解率大約在20%~80%范圍內(nèi)波動(dòng),最高值為73%,平均值為46%;氫氣提高比率與焦油分解率呈正比關(guān)系。2.2.2 Hypercoal技術(shù)
在COURSE 50項(xiàng)目中,使用氫氣含量較高的焦?fàn)t煤氣作高爐還原劑時(shí)焦比會(huì)比傳統(tǒng)高爐低,需要強(qiáng)度更高的焦炭來(lái)保持高爐透氣性;另一方面,氫氣還原鐵礦石時(shí)的吸熱反應(yīng)會(huì)降低爐內(nèi)溫度,需要與之相適應(yīng)的高反應(yīng)性焦炭。因此,COURSE 50項(xiàng)目的成功需要高強(qiáng)度高反應(yīng)性焦炭作為支撐。Hypercoal是日本正在開發(fā)的脫灰煤,用作配煤粘結(jié)劑可生產(chǎn)出高反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭,滿足COURSE 50技術(shù)中高爐噴吹焦?fàn)t煤氣對(duì)焦炭的要求。
使用Hypercoal作配煤粘結(jié)劑可大大提高低價(jià)弱或非粘結(jié)煤在煉焦配煤中的比例,甚至在確保焦炭質(zhì)量情況下可幾乎全部使用弱或非粘結(jié)煤配煤。Hypercoal技術(shù)既能幫助鋼鐵企業(yè)應(yīng)對(duì)將來(lái)粘結(jié)煤資源的短缺,又有利于降低生產(chǎn)成本。
神戶鋼鐵公司與JCOAL(Japan Coal Energy Center:日本煤炭能源中心)等正在合作開發(fā)研究該技術(shù)[2]。神戶制鋼曾用小型實(shí)驗(yàn)焦?fàn)t研究了煉焦配煤中添加Hypercoal對(duì)焦炭質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)確實(shí)可提高焦炭強(qiáng)度,并且在配煤中多使用高反應(yīng)性煤種可提高焦炭反應(yīng)性。
目前日本已對(duì)提高Hypercoal生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本的技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)研究,也建成中試裝置進(jìn)行了試驗(yàn)[3]。接下來(lái)的研究中,既要提高Hypercoal萃取率,又要控制其成分,使Hypercoal含有較多與煤分子相似的大分子芳香族化合物,以便更有效提高焦炭強(qiáng)度。
3.1高爐煤氣分離回收CO2技術(shù)
在COURSE50項(xiàng)目研究中,首先研究了化學(xué)吸收方法從高爐煤氣分離CO2的技術(shù)。進(jìn)行了多種高性能吸收液從高爐煤氣中分離CO2的實(shí)驗(yàn),開發(fā)了CO2分離回收工藝與煉鐵工藝的整合模型,以評(píng)價(jià)分離CO2和降低成本的效果。在規(guī)模為1 t CO2/d的小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上,開發(fā)了規(guī)模為30 t CO2/d的化學(xué)吸收試驗(yàn)裝置。利用該裝置可進(jìn)行定量研究,以獲取使用不同高性能吸收液的技術(shù)數(shù)據(jù)。
在地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)(RITE)的指導(dǎo)下,研究開發(fā)了性能優(yōu)良的新型胺類吸收液和催化劑。
還對(duì)物理吸附法進(jìn)行了研究,該法在分離CO2的同時(shí)分離N2,這樣可提高氣體中(CO+H2)的含量和氣體價(jià)值。最后,研究了化學(xué)吸收與物理吸附相結(jié)合的系統(tǒng),以達(dá)到最佳分離效率。
3.2支持技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀
從高爐煤氣中分離回收CO2本身是一項(xiàng)沒有經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力的技術(shù),而且在實(shí)施中還需要消耗一定能量,例如,從高爐煤氣中分離回收CO2時(shí),需要消耗一定量的蒸汽和電力。日本不希望在實(shí)施CCS技術(shù)中外購(gòu)額外能源,而希望對(duì)鋼鐵廠中未利用余熱的回收技術(shù)進(jìn)行開發(fā),將這部分未利用的余熱用于CCS。為此,研究了將鋼鐵廠尚未利用的余熱用于CO2分離回收的技術(shù)。開發(fā)的具體技術(shù)包括:鋼渣顯熱回收技術(shù)、低溫余熱發(fā)電技術(shù)、相變材料(PCM)的利用技術(shù)、熱泵利用技術(shù)。
(1)鋼渣顯熱回收技術(shù)
從1 200~1 600℃高溫熔融態(tài)鋼渣制造渣制品的過程中回收其顯熱。提高余熱回收效率的關(guān)鍵點(diǎn)是爐渣冷卻方法和形狀控制等。為提供分離CO2所需的熱能,從鋼渣回收的氣體溫度應(yīng)達(dá)到140℃以上,目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
(2)低溫余熱發(fā)電技術(shù)
世界上已有回收100℃左右余熱的低溫余熱發(fā)電的實(shí)例,如Kalina發(fā)電技術(shù)。但是,在設(shè)備成本、余熱回收效率方面還存在問題,仍沒有達(dá)到推廣應(yīng)用的程度。在該項(xiàng)目中,擬通過探索低熱發(fā)電系統(tǒng)的低沸點(diǎn)媒介物,來(lái)提高余熱回收效率;還通過開發(fā)降低發(fā)電設(shè)備的成本及體積的技術(shù)來(lái)解決以上問題。Kalina循環(huán)發(fā)電技術(shù)使用溫度約100℃的廢熱發(fā)電,住友金屬已于1999年引進(jìn)該技術(shù)并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,以氨和水的混合液回收轉(zhuǎn)爐煤氣除塵冷卻水100℃的低溫余熱,產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,目前正在其各廠推廣中。但卻存在設(shè)備成本較高,廢熱回收效率較低等問題。
(3)相變材料儲(chǔ)熱技術(shù)
利用某些物質(zhì)在相變過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象,進(jìn)行熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)控,具有熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)控功能的這類物質(zhì)稱為相變材料或潛熱儲(chǔ)能材料(LTES)。相變材料具有能量密度較高、所用裝置簡(jiǎn)單、使用方便、易于管理的特點(diǎn)。利用相變材料可以從環(huán)境吸收熱量或向環(huán)境放出熱量,從而達(dá)到熱量?jī)?chǔ)存和釋放的目的,諸如石臘、三水醋酸鈉等都可用作相變材料[4]。如果能夠使用絕熱容器運(yùn)輸PCM材料,可減小運(yùn)輸途中的熱損失。把鋼鐵廠中發(fā)生的不易回收的廢熱存儲(chǔ)在PCM材料中,有望成為CCS技術(shù)所需的能源。
(4)熱泵技術(shù)
為了將中低溫廢熱作為化學(xué)吸收法所需的熱源加以有效利用,計(jì)劃進(jìn)行熱泵利用技術(shù)開發(fā)。熱泵是由能量(動(dòng)力、熱)作用產(chǎn)生溫度差的裝置,將余熱本身的溫度和環(huán)境溫度差作為工作驅(qū)動(dòng)力,不用從外部投入能量,就可制取高溫?zé)嵩?。雖然現(xiàn)在有許多應(yīng)用實(shí)例,但對(duì)于目前尚無(wú)法利用的低溫余熱,如果使用熱驅(qū)動(dòng)熱泵,可期待將其一部分能量用于分離和回收CO2。
2013年進(jìn)入第二階段研究,計(jì)劃于2017年結(jié)束。目前,已在君津廠建設(shè)了10 m3的試驗(yàn)高爐,日產(chǎn)量為35 t左右,用該爐子進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)及研究,具體內(nèi)容包括[5]:
(1)在氫還原鐵礦石技術(shù)方面,使用新建的10 m3試驗(yàn)高爐研究氣體噴吹優(yōu)化和進(jìn)一步提高冶煉效率的技術(shù);
(2)在10 m3試驗(yàn)高爐上對(duì)COURSE 50項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估;
(3)開發(fā)未利用余熱的高效利用技術(shù),進(jìn)行化學(xué)吸收法與10 m3試驗(yàn)高爐的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn),詳細(xì)設(shè)計(jì)物理吸收法的實(shí)際設(shè)備生產(chǎn) (50萬(wàn)t/a×2系列)工藝;
(4)通過提高整體優(yōu)化評(píng)價(jià),確立減少CO2排放量達(dá)30%的技術(shù);
(5)開發(fā)在高爐達(dá)800℃以上的溫度條件下,降低焦?fàn)t煤氣甲烷含量的技術(shù)。
COURSE 50項(xiàng)目第一階段的研究任務(wù)已圓滿完成,從2013年開始已進(jìn)入第二研究階段。小高爐試驗(yàn)研究證明,高爐噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣能夠降低碳耗,即能夠減少CO2排放;高爐噴吹焦?fàn)t煤氣不僅有降低焦比和還原劑比的效果,而且沒有發(fā)生燒結(jié)礦嚴(yán)重粉化的現(xiàn)象。雖然至2030年才推廣應(yīng)用COURSE 50技術(shù),但其中一些支持技術(shù)非常有意義。譬如Hypercoal技術(shù),隨著該技術(shù)的開發(fā)成功,使低等級(jí)煤大量用于煉焦中成為可能,這對(duì)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。鋼渣顯熱回收技術(shù)、低溫余熱發(fā)電技術(shù)、相變材料的利用技術(shù)和熱泵利用技術(shù),這些技術(shù)的開發(fā)成功對(duì)企業(yè)節(jié)能減排和提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力非常重要。
[1]Shiro WATAKABE,Kazuya MIYAGAWA,Shinroku MATSUZAKI,et al.Operation Trial of Hydrogenous Gas Injection of COURSE50 Project at an Experimental Blast Furnace[J]. ISIJ International,2013,53(12):2 065-2 071.
[2]Yuko Nishibata,Kanji Matsudaira,Masaru Nishimura,et al.Effect of Hyper Coal addition to coal on coke quality[C]//The Iron and Steel Institute of Japan,ICSTI,2006:640-643.
[3]胡俊鴿,郭艷玲,周文濤,等.日本Hypercoal技術(shù)現(xiàn)狀及其在煉焦中的應(yīng)用[J].上海金屬,2014,36(4):38-42.
[4]Takahiro NOMURA,Teppei OYA,Noriyuki OKINAKA,et al. Feasibility of an Advanced Waste Heat Transportation System Using High-temperature Phase Change Material(PCM)[J].ISIJ International,2010,50(9):1 326-1 332.
[5]全榮,日本環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)(COURSE50)的研發(fā)進(jìn)展[N].世界金屬導(dǎo)報(bào),2014-01-07(第B01版).
(編輯 賀英群)
Current Situatoin of R&D on COURSE 50 Technology in Japan
Hu Junge,Zhou Wentao,Dong Gang
(Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China)
The COURSE 50 technology consisting of ironmaking process in BF by introducing hydrogen and the relevant supporting process as well as the process for CCS from BF gas is described.Meanwhile the current situation of the developments on the COURSE 50 technology is discussed,concerning the laboratory-based research results on the ironmaking process in BF by introducing hydrogen,experiments and experimental results based on the small blast furnace in Sweden,the latest progress of R&D on both the technology for improving the quality of coke oven gas and the Hypercoal technology,the current situation of R&D on both the process for separating and recovering CO2from BF gas and the relevant supporting process as well as the research subjects of the COURSE 50 programme from 2013 to 2017.At last it is concluded that some supporting processes are of great strategic significance for improving the competitiveness of an enterprise and promoting the sustainability development of the iron&steel industry.
COURSE 50;reduction of CO2emission;blast furnace;injection of COG; ironmaking by introducing hydrogen
TF543
A
1006-4613(2015)01-008-05
胡俊鴿,碩士,高級(jí)工程師,1990年畢業(yè)于東北工學(xué)院鋼鐵冶金專業(yè)。E-mail:hjgasr@126.com
2014-09-22